Sự phụ thuộc của thế giới vào bê tông, vật liệu được tiêu thụ nhiều thứ hai sau nước, đang dẫn đến một cuộc khủng hoảng tài nguyên và môi trường, với tốc độ khai thác cát vượt xa khả năng bổ sung tự nhiên.
Tín dụng: Vật liệu & Giao diện Ứng dụng ACS (2023). DOI: 10.1021/acsami.3c15156
Một nghiên cứu của các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice công bố trên tạp chí Vật liệu & Giao diện Ứng dụng ACS cho thấy graphene có nguồn gốc từ than cốc luyện kim, một sản phẩm làm từ than, có thể không chỉ đóng vai trò là chất phụ gia gia cố trong xi măng mà còn có thể thay thế cát trong bê tông.
James Tour, Giáo sư TT và WF Chao của Rice, đồng thời là giáo sư hóa học, khoa học vật liệu và kỹ thuật nano cho biết: “Điều này có thể có tác động lớn đến một trong những ngành công nghiệp lớn nhất thế giới”. "Chúng tôi đã so sánh bê tông được làm bằng chất thay thế cốt liệu graphene với bê tông được làm bằng cốt liệu cát phù hợp và chúng tôi nhận thấy bê tông của chúng tôi nhẹ hơn 25% nhưng vẫn cứng như nhau."
Bê tông, hỗn hợp cốt liệu như cát và sỏi liên kết với xi măng và nước, rất cần thiết cho sự phát triển đô thị. Với 68% dân số toàn cầu dự kiến sẽ sống ở khu vực thành thị vào năm 2050, nhu cầu về bê tông và khai thác cát dự kiến sẽ tăng đáng kể. Con số này đã tăng gấp ba lần trong hai thập kỷ qua, đạt khoảng 50 tỷ tấn mỗi năm. Tuy nhiên, điều này đi kèm với chi phí môi trường đáng kể.
Sản xuất xi măng, thành phần chính của bê tông, chiếm 8% lượng khí thải carbon dioxide trên toàn thế giới. Hơn nữa, hoạt động khai thác cát, phần lớn không được kiểm soát, gây ra những mối đe dọa nghiêm trọng đối với hệ sinh thái sông và ven biển. Theo báo cáo năm 2022 của Liên hợp quốc, nhu cầu cát ngày càng tăng cùng với sự gia tăng dân số và mở rộng đô thị có thể sớm gây ra "cuộc khủng hoảng cát".
Áp dụng kỹ thuật đốt nóng joule đặc trưng của mình cho than cốc luyện kim, phòng thí nghiệm Tour đã tạo ra một loại graphene có thể dùng làm chất thay thế cho cát trong bê tông.
Paul Advincula, cựu tiến sĩ của Rice, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Các thí nghiệm ban đầu trong đó than cốc luyện kim được chuyển đổi thành graphene đã tạo ra một vật liệu có kích thước tương tự như cát”. “Chúng tôi quyết định khám phá việc sử dụng graphene có nguồn gốc từ than cốc luyện kim để thay thế hoàn toàn cho cát trong bê tông và những phát hiện của chúng tôi cho thấy rằng nó sẽ hoạt động rất tốt”.
Các thử nghiệm so sánh bê tông thông thường với bê tông làm từ cốt liệu graphene cho thấy kết quả đầy hứa hẹn. Bê tông gốc graphene không chỉ phù hợp với các đặc tính cơ học của bê tông tiêu chuẩn mà còn mang lại tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao hơn.
Phòng thí nghiệm Tour đã sử dụng hệ thống gia nhiệt Flash Joule cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm tổng hợp vật liệu nano cacbon lai, tái chế bộ phận pin và loại bỏ kim loại nặng khỏi tro bay than.
Advincula cho biết: “Kỹ thuật này tạo ra graphene nhanh hơn và ở quy mô lớn hơn so với các phương pháp trước đây”.
Với tiềm năng giảm sự phụ thuộc vào cát tự nhiên và lượng khí thải carbon thấp hơn từ ngành bê tông, công nghệ mới này có thể dẫn đến các hoạt động phát triển đô thị bền vững hơn.
Tour cho biết: “Sẽ phải mất một thời gian để giá graphene xuống đủ thấp để biến điều này thành khả thi”. "Nhưng điều này chỉ cho thấy có những lựa chọn thay thế mà chúng tôi có thể theo đuổi."
Satish Nagarajaiah, giáo sư kỹ thuật dân dụng, môi trường và kỹ thuật cơ khí, đồng thời là tác giả của nghiên cứu, nhấn mạnh rằng "30% bê tông bao gồm cát - một phần quan trọng".
“Thực tế là chúng ta đang trên bờ vực của một ‘cuộc khủng hoảng cát’ thúc đẩy chúng ta tìm kiếm các giải pháp thay thế, và than cốc luyện kim, có giá tương đương với cát nhưng chỉ bằng khoảng 10% chi phí bê tông, có thể không chỉ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống.” -bê tông chất lượng cao nhưng cuối cùng cũng mang lại mức tiết kiệm đáng kể," Nagarajaiah nói.
